УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛОВ изменение механич. и физич. свойств материала под длит. действием циклически
изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Изменение состояния материала
при усталостном процессе отражается на его механич. свойствах, макроструктуре,
микроструктуре и субструктуре. Эти изменения протекают по стадиям и зависят
от исходных свойств, вида напряжённого состояния, истории на-гружения и
влияния среды. На определённой стадии начинаются необратимые явления снижения
сопротивления материала разрушению, характеризуемые как усталостное повреждение.
Сначала в структурных составляющих материала и по границам их сопряжения
(зёрна по-ликристаллич. металла, волокна и матрица композитов, молекулярные
цепи полимеров) образуются микротрещины, к-рые на дальнейших стадиях перерастают
в макротрещины либо приводят к окончат. разрушению элемента конструкции
или образца для механич. испытаний.

Количественно усталостный
процесс описывается зависимостью между накопленным повреждением и числом
циклов или длительностью нагружения по параметру величины циклич. напряжений
или деформаций. Соответствующая зависимость между числом циклов и стадией
повреждения (в т. ч. возникновением трещины или окончат. повреждением )
наз. кривой усталости. Эта кривая - осн. характеристика У. м. Накопление
циклич. повреждения отражает деформирование материала как макро- и микронеоднородной
среды (для металлов - поликристаллич. конгломерат, для полимеров - конгломерат
молекулярных цепей, для композитов - регулярное строение из матрицы и волокон).
Этот процесс в поле однородного напряжённого состояния (напр., простого
растяжения-сжатия) описывается механич. моделью, звенья к-рой воспроизводят
неоднородную напряжённость структурных составляющих материала; неоднородность
характеризуется вероятностными распределениями величин микродеформаций
и микронапряжений (включая остаточные). Циклич. нагружение таких неоднородных
структур порождает в наиболее напряжённых структурных звеньях необратимые
деформации (упру-гопластические, вязкоупругие), накапливающиеся с нарастанием
числа циклов и длительности пребывания под циклич. нагрузкой. Их увеличение
до критич. значений, свойственных материалу и среде, в к-рой он находится,
приводит к зарождению макротрещины как предельного состояния на первой
стадии усталостного разрушения. Кинетика изменения состояния материала
на этой стадии проявляется субмикроскопически в изменении плотности дислокаций
и концентрации вакансий; микроскопически - в образовании линий
скольжения, экструзий и интрузий на свободной поверхности остаточных микронапряжений;
механически - в изменении твёрдости, параметров петли упруго-пластического
гистерезиса, циклич. модуля упругости, а также макрофизич.
свойств (электрич., магнитного и аку-стич. сопротивления, плотности). На
второй стадии усталостного разрушения накопление повреждения оценивается
скоростью прорастания макротрещины и уменьшением сопротивления материала
статич. (квазихрупкому или хрупкому) разрушению, определяемому изменением
статич. прочности, в т. ч. характеристиками вязкости разрушения как критич.
значениями интенсивностей напряжений у края усталостной трещины.

Кривые усталости в области
многоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов более 10^s),
за к-рые "ответственны" повторные упругие деформации, наносятся в амплитудах
(или макс. напряжениях) цикла в логарифмических (Igс, IgN) или полулогарифмических
(с, IgN) координатах (рис. 1). В зависимости от особенностей материала,
гомо-логич. темп-р и физ.-химич. активности среды кривые усталости могут
иметь либо асимптотич. характер (кривая 1), либо непрерывно снижающийся
с выпуклостью, обращённой к началу координат (кривая 2). Величину
амплитуд напряжений скривых усталости 1-го типа, наз. пределом выносливости материала, а величину
амплитуд напряжений (сдостигается при числе циклов Nпо кривым 2-го типа,-
ограниченным (по числу циклов) пределом выносливости. Материалам более
стабильных структур и для более низких темп-р свойственны кривые типа 1;
материалам менее стабильных структур, для более высоких темп-р и активных
сред - кривые типа 2.

Кривые усталости в области
малоцикловой усталости (при разрушающем числе циклов в 10⁴ и
менее), за к-рые "ответственны" повторные пластич. деформации, наносятся
в амплитудах этих деформаций в логарифмич. координатах lg eи lg N (рис. 2).

Лит.: Конструкционные
материалы, т. 3, М., 1965, с. 382-90; Форрест П., Усталость металлов, пер.
с англ., М., 1968; Серенсен С. В., Сопротивление материалов усталостному
и хрупкому разрушению, М., 1975. , С. В. Сервисен.